翟希猛
中航工程集成设备有限公司 北京市 100000
摘要：蒸汽是一种工业生产中常用的介质，其热量经常用于各种生产活动。近年来，蒸汽管道事故频发，其安全必须引起重视。基于此，本文对架空蒸汽管道系统应力分析进行了详细的论述。
关键词：蒸汽管道；判别方式；应力分析
蒸汽是工业生产中的一种特殊介质，锅炉由煤和天然气等化石燃料燃烧产生的热量加热，通过控制压力，水蒸发得到饱和蒸汽和过热蒸汽。因此，蒸汽管道一般会受压力及温度的影响。由于蒸汽管道长期运行，易引起热膨胀及支吊架失稳：蒸汽管托的热位移使支架脱空，引起整个系统的受力变化，造成局部应力过大而损坏；高温蒸汽管道一般采用合金钢制造，运行时高温易产生蠕变、内部球化、石墨化等材料劣化现象，造成疲劳损伤。因此，对蒸汽管道的柔性设计及应力分析具有重要意义。
一、管道应力分析的概念
管道应力主要因管道承受内压力、外部荷载及热膨胀或等多种因素引起。其中，热膨胀问题是管道应力分析首要解决的最常见且最主要问题。对于管道上的应力，一般分为一二次应力，其中，一次应力指由管道所受荷载，如所受内压力和持续外载荷等引起应力。它是非自限性的，超过某一限度，将使管道整体变形直至破坏。二次应力指由热胀冷缩、端点位移及支吊架设置等位移载荷所产生的应力，它是为满足位移约束条件或管道自身变形要求所必需的应力。二次应力的特点是具有自限性，其引起的主要是疲劳破坏。
二、工程概况
某化工厂蒸汽管道通过气化装置余热锅炉送出，沿全场管廊送至脱硫、空分、罐区等装置。总管为分5.5m、7.5m、10.0m三层，蒸汽管道布置在顶层，二层为电气、仪表桥架、检修通道；管道多处采用“π”型自然补偿器、过路时管道升高“n”型补偿器、改变走向的“Z”型补偿器。
三、简易判别方式
蒸汽管道的热膨胀应力会对管线和设备造成重要的破坏，GB 50316《工业金属管道设计规范》规定，管道设计温度小于或等于-50℃或大于或等于100℃，属于柔性计算范围。柔性设计目的是保证管道在设计条件下有足够的柔性，防止管道因膨胀、冷缩、端点附加位移、管道支架设置不当等引起的问题，提高管道柔性的方法为：
1、选用专用补偿器，如波纹补偿器、旋转补偿器等，专用补偿器制造复杂，成本高，通常通过法兰或者焊接连接，具有一定的使用寿命。补偿器需根据工况定制，当管道内工况波动或补偿器出现质量问题时，易发生不可预知的泄漏。
2、选择自然补偿结构。自然补偿器可采取管道的特定走向来呈现各种图形，如“L”、“Z”、“π”等平面结构，也可基于自然补偿器的空间结构。自然补偿器结构简单、运行可靠、投资少。
四、应力分析
CAESARⅡ软件是专业管道应力分析软件，广泛应用于石油、化工、电力等领域。CAESARⅡ是一个基于梁单元模型的有限元分析软件，它将管道模拟成刚性杆，可按ASME B31系列进行应力校核。CAESARⅡ软件分析的主要内容包括：数据输入、边界条件设置、工况设置、模型校核、分析计算、问题处理等。
一般来说，蒸汽管道的工况包括设计、安装、试压、运行等，各工况的压力和温度等不同。软件工况中每个字母符号的含义为：T1为工作温度，℃；T2为设计温度，℃；P1为设计压力；W为管道及介质质量；WW为冲水质量；HP为水压试验压力。为检查管道应力，根据表1选择工况。
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根据表1对各工况进行划分，计算出各种工况的应力值。L4、L5工况最大一次应力位于节点1190#处，综合应力占许用应力的比例分别为57.3%、54.7%；L6、L7工况最大二次应力位于节点510#处，综合应力占许用应力的比例分别为25.4%、20.0%。1190#和510#节点均为90°弯头，因此弯头是二次应力分析的重点。由此可见，一、二次应力校验合格，符合ASME B31.3要求。
此外，还计算了L2、L3工况下各节点的x、z轴位移量，位移方向与坐标轴方向一致时为“+”，位移方向与坐标轴方向相反时为“-”。在L2工况下，x轴方向最大位移位于节点510#，最大位移量为+112.30mm；z轴最大位移为495#处，最大位移量为-91.57mm。L3工况下，x轴最大位移也出现在节点510#处，最大位移量为+139.30mm；z轴最大位移出现在节点495#处，最大位移量为-114.01mm。整理L3工况下管道在x、z方向的位移量，如图1所示。
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五、检验方案的定制
压力管道常见损伤形式有壁厚减薄、表面裂纹、内部裂纹、微观组织变化、内部微裂纹、材料脆化、几何形状变化等。常用的检验方法为宏观检验、超声波测厚、磁粉检测、渗透检测、超声波检测、射线探伤、涡流检测、金相检验、硬度测试等。应力是应力腐蚀损伤的必要条件，因此，根据应力分析评估结果，针对性制定管道检验策略，避免盲目性。
以一二次应力较高的部位为重点，对应力较高部位的焊缝进行无损检测和壁厚测定等。因材料在高温下的蠕变，易使材料发生退化。因此，对工作温度大于370℃的碳钢和铁素体不锈钢管道，或工作温度大于450℃的钼钢与铬钼钢管道，应进行金相与硬度抽检。
对位移量较大部位，宏观检查重点是观察管支架是否卡涩、倾斜、大位移甚至滑落管廊，支架与管廊是否脱空，管道是否因x轴向位移过大，致使与管廊周边管道发生挤压、膨胀等现象。
对宏观检查发现的保温层损伤(保温材料与基体金属间局部区域形成的腐蚀环境，导致保温层发生腐蚀)，可通过测厚检查腐蚀度，评价管道的剩余强度，并可预测管道剩余腐蚀寿命。保温层、油漆或涂层完好时，在工艺条件允许前提下，使管道外表面温度应尽量远离层下腐蚀敏感温度范围，并定期对腐蚀部位进行目视检测和壁厚测定。
六、结语
利用CAESARⅡ软件计算一二次应力和管道位移状况，蒸汽管道的计算结果符合ASME B31.3要求。在计算结果中，一二次应力均位于弯头等管件处。在相关文献中，弯头管件被认为是薄弱环节，因此应加强对此类管件的日常监督管理。
参考文献：
[1]何仁洋.管系应力计算在工业管道检验检测中的应用[J].管道技术与设备，2015(08).
[2]浦哲.架空蒸汽管道系统应力分析研究[J].上海化工，2020(01).